一种五轴打印轨迹生成方法与流程

本发明属于3d打印，具体涉及一种五轴打印轨迹生成方法。

背景技术：

1、目前，市面上的3d打印工艺主要有fdm、sla和slm等工艺，虽然这些工艺技术相对成熟，但是目前这些工艺大部分有个共同的特点：基于三轴结构，采用平面堆叠方法进行零件的成型。然而，这种成型方式带来几种难以解决的问题：1、台阶效应。由于在成型方向，零件表面曲率变化原因，采用固定的层厚进行切片、成型之后，表面材料会呈现阶梯形状，称为台阶效应。目前都是采用减小层厚和自适应层厚的方式改善台阶效应。2、需要更多的支撑。过多的支撑，会存在两个问题：一个是浪费材料，另一个是与支撑的连接表面存在较为粗糙的情况。目前主要是通过更改成型方向，改变模型的姿态来减少支撑。3、成型方式较为固定。基于三轴的轨迹，由于结构限制，只能沿着模型的某一方向进行成型。成型时无法根据模型的特征或者根据需求进行特定轨迹的成型。4、成型质量差。由于采用平面堆叠的方式，成型出来的零件特向异性严重，零件沿着成型方向的拉伸性能较差。5、对于打印平面限制较大。传统的三轴打印不管还是五轴，大部分都是采用平面作为平台，限制较大。

2、传统3d打印工艺基本是基于平面堆叠的方式在平面上进行立体成型。传统三轴的打印平台由于结构的限制，通常平台是个平面，而五轴得益于多自由度，打印平台多样化，不再限制平面。五轴增材打印技术，是在传统3d打印基础上增加一个双转台，增加两个自由度，通过带动立体实物转动，用于在立体实物除去底面的多表面上打印三维立体模型，实现立体增材。但是现有的五轴打印技术，并没有充分发挥五轴的特性，特别是在成型策略上，是在三轴打印的基础上进行改进，新增加的两轴只用来控制成型方向，没有参与其他三轴的联动，实际还是三轴打印。这种成型策略与传统的三轴相比的优点在于：可以较少或不需要支撑就可以成型，但是对于三轴的台阶效应和物理性能并没有太大的提高。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种五轴打印轨迹生成方法，充分利用五轴联动优势的策略，不再是基于平面堆叠的方式，而是采用曲面切片的方式，利用空间曲线的交错性，不仅可以减少支撑，减少台阶效应带来的影响，提高表面质量，而且可以大大提高零件的物理力学性能，使得打印出来的零件适用于更多的场合。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种五轴打印轨迹生成方法，包括如下步骤：

3、s1、利用三维扫描技术扫描打印平台上的打印基底，获得基底模型；对基底模型进行干涉检测，若产生干涉，则对基底模型进行打磨处理，消除干涉；对消除干涉后的基底模型与3d打印机坐标进行配准，获得配准后的基底模型；

4、s2、根据配准后的基底模型，对待打印的网格模型进行变换，使网格模型与基底模型相匹配，获得匹配后的网格模型；

5、s3、创建分割曲面，对匹配后的网格模型进行分割，获得多个模型子块；

6、s4、创建初始切片曲面，通过初始切片曲面的偏置对模型子块进行分层，获得多层模型切片；对各层模型切片的轮廓进行填充，获得整个模型子块的实际填充轨迹；通过路径规划，将各条实际填充轨迹进行连接，生成一条完整的路径轨迹；对路径轨迹进行干涉检测，若产生干涉，则返回步骤s3，通过对分割曲面进行微调或增加分割曲面的方式，重新生成路径轨迹，直至生成的路径轨迹没有干涉为止。

7、优选地，所述五轴打印轨迹生成方法，还包括如下步骤：

8、s5、利用运动学逆解方法对路径轨迹中的各个刀位点姿态数据进行求解、优化，获得3d打印机各个轴的实际运动数据；

9、s6、将3d打印机各个轴的实际运动数据转化为供3d打印机执行的gcode代码。

10、优选地，所述五轴打印轨迹生成方法，还包括如下步骤：

11、s8、将gcode代码导进3d打印机进行实际的打印。

12、优选地，所述五轴打印轨迹生成方法，在步骤s6和步骤s8之间，还包括如下步骤：

13、s7、通过仿真软件运行gcode代码，对路径轨迹进行仿真，观察仿真打印情况，提前预测实际打印成型质量。

14、优选地，步骤s1中，对待打印的网格模型进行变换的方法包括旋转、平移和变形中的至少一种。

15、优选地，步骤s2中，待打印的网格模型的获取方法为：读取网格模型文件，去除冗余点，并基于半边数据结构建立起网格的拓扑关系，即得到待打印的网格模型。

16、优选地，所述网格模型文件的格式包括stl、obj、amf和3mf中的任意一种。

17、优选地，步骤s3中，模型子块的具体获得方法包括如下步骤：

18、s31、选择模型分割策略，所述模型分割策略包含基于模型空间几何的分割方法、基于模型应力场的分割方法中的至少一种，获得分割曲面；

19、s32、通过分割曲面与网格模型进行求交，获取多个模型子块。

20、优选地，步骤s4中，路径轨迹的具体获得方法包括如下步骤：

21、s41、创建初始切片曲面，对初始切片曲面进行等距偏置，获取一组距离间隔相等的曲面组，将曲面组和模型子块进行三角网格求交，获得多层模型切片，各层模型切片的轮廓线一起组成轮廓线组；

22、s42、采用扫面填充、偏置填充或混合填充的方式对轮廓线组进行填充，获得整个模型子块的实际填充轨迹；

23、s43、通过空行程轨迹将模型子块的实际填充轨迹进行连接，并通过蚁群算法或遗传算法进行优化，得到一条较为光滑且空行程较少的路径轨迹；

24、s44、对路径轨迹进行干涉检测，若产生干涉，则返回步骤s3，通过对分割曲面进行微调或增加分割曲面的方式，重新生成路径轨迹，直至生成的路径轨迹没有干涉为止。

25、优选地，步骤s5中，3d打印机各个轴的实际运动数据包括运动速度、运动位置和运动姿态。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）得益于五轴的多自由度，模型的成型自由度更高，成型方式更自由；（2）通过轨迹规划有效地减少模型的支撑，减少材料损耗和提高表面质量；（3）通过轨迹规划减少台阶效应带来的影响，提高表面质量；（4）由于采用曲面进行模型的分层，成型轨迹是由空间轨迹进行堆叠，成型出来的模型在力学性能会更加的好，大大减少由于固定的成型方向所带来的各向异性问题；（5）打印平台更加的灵活，打印平台的选择只要选择的平台不产生干涉，都可以选择作为平台；在零件修复领域有更好的应用，也省去了配平和寻找下刀点的步骤，实现自动化流程。

技术特征：

1.一种五轴打印轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：还包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：还包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：在步骤s6和步骤s8之间，还包括如下步骤：

5.根据权利要求1所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：步骤s1中，对待打印的网格模型进行变换的方法包括旋转、平移和变形中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：步骤s2中，待打印的网格模型的获取方法为：读取网格模型文件，去除冗余点，并基于半边数据结构建立起网格的拓扑关系，即得到待打印的网格模型。

7.根据权利要求6所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：所述网格模型文件的格式包括stl、obj、amf和3mf中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：步骤s3中，模型子块的具体获得方法包括如下步骤：

9.根据权利要求1所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：步骤s4中，路径轨迹的具体获得方法包括如下步骤：

10.根据权利要求2所述的五轴打印轨迹生成方法，其特征在于：步骤s5中，3d打印机各个轴的实际运动数据包括运动速度、运动位置和运动姿态。

技术总结
本发明涉及一种五轴打印轨迹生成方法，包括如下步骤：S1、利用三维扫描技术扫描打印平台上的打印基底，获得基底模型；对基底模型与3D打印机坐标进行配准，获得配准后的基底模型；S2、对待打印的网格模型进行变换，使网格模型与配准后的基底模型相匹配，获得匹配后的网格模型；S3、创建分割曲面，对匹配后的网格模型进行分割，获得多个模型子块；S4、创建初始切片曲面，通过初始切片曲面的偏置对模型子块进行分层，获得多层模型切片；对各层模型切片的轮廓进行填充，获得整个模型子块的实际填充轨迹；通过路径规划，将各条实际填充轨迹进行连接，生成一条完整的路径轨迹。利用本发明打印出来的零件具有更好的表面质量和力学性能。

技术研发人员：肖国栋,余谦
受保护的技术使用者：无锡有田五维增材科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15